Замена гидравлики на электромеханику: зачем и как это делают.
Часть 1

Несмотря на стремительный технологический прогресс, гидравлика по-прежнему имеет некоторые преимущества по сравнению с другими доступными технологиями благодаря своей высокой удельной мощности, относительно экономичным компонентам и простоте развертывания, когда необходимо простое позиционирование типа «точка-точка» или «средняя точка». Поскольку требования к системам становятся все более высокими, в гидравлических системах (рис. 1) теперь должны использоваться линейные преобразователи и сервогидравлические системы, что увеличивает стоимость и сложность. Именно в этот момент электромеханические актуаторы (рис. 2) становятся жизнеспособными вариантами замены гидравлической техники.

Рис. 1. Конструкция гидравлического цилиндра

Рис. 2. Конструкция электромеханического актуатора

Рассмотрим и сравним основные характеристики гидравлических и электромеханических систем.

Возможности управления движением

Основная причина, по которой инженеры выбирают электромеханическую систему вместо системы гидроцилиндра, заключается в гибкости ее возможностей управления движением:

• управление положением (несколько положений, точность);
• возможность контроля скорости;
• возможность контроля разгона / замедления;
• возможность контроля выходной силы;
• комплексное управление всеми этими переменными движения «на лету».

Электромеханические актуаторы Tolomatic в сочетании с сервоприводом Kollmorgen имеют неограниченный контроль над положением. Уровни точности и повторяемости намного превышают возможности гидравлической системы. Стандартная гидравлика отлично подходит для применения в позиционировании от конца до конца, но позиционирование в середине хода более сложное, требующее регулирующего клапана и помощи человека-оператора, который будет контролировать процесс остановки гидроцилиндра в нужной точке. Также оператор нужен для внесения изменений скорости, повторяемости и усилия при изменении этих параметров в технологической карте производственного процесса.

Более совершенные гидравлические системы, называемые сервогидравлическими, могут точно контролировать положение, скорость и силу, но для них требуются дополнительные компоненты — сервоконтроллер, электрогидравлический сервоклапан и устройство обратной связи по положению, такое как линейный датчик, что значительно увеличивает сложность, пространство и стоимость гидравлической системы. Эти компоненты управляют давлением и потоком в гидроцилиндр, подобно тому, как сервоусилитель управляет током, подаваемым на серводвигатель. Гидравлика также оснащена еще более совершенными контроллерами, позволяющими согласовывать несколько осей вместе. Однако при реализации гидравлической системы такое случается редко, и эти контроллеры добавляют чрезвычайной сложности и стоимости всей системе. Кроме того, они могут быть весьма чувствительными и требовать регулярного обслуживания для обеспечения желаемой производительности.

Компоненты системы и занимаемая площадь

Количество компонентов и занимаемая площадь, необходимые для гидравлической системы, намного больше, чем для электромеханической системы. Для гидравлических систем требуются (рис. 3): цилиндр; блок питания для обеспечения давления масла; регулирующие и вспомогательные клапаны; фильтры; шланги; фурнитура; дополнительные компоненты. Гидравлические цилиндры занимают компактную площадь в рабочей точке (где необходима удельная мощность), но гидравлический силовой агрегат (HPU), который регулирует поток и давление в этих приводах и других компонентах, может потребовать большой площади на полу. HPU не маленькие и обычно размещаются рядом с самим цилиндром, что дополнительно увеличивает занимаемую площадь. В очень больших системах с удаленно установленными HPU длинные шланги могут снизить общую жесткость и эффективность гидравлической системы.

Рис. 3. Компоненты гидравлических систем

Электромеханические системы более компактны. В них используется (рис. 4) механический привод (актуатор), мотор (серводвигатель или другой), кабели и сервоусилитель, который обычно устанавливается в шкаф управления.

Рис. 4. Компоненты электромеханической системы

Силовые возможности

Благодаря высокому рабочему давлению системы гидроцилиндров отлично справляются с созданием чрезвычайно высоких сил. Поскольку гидроцилиндры работают по принципу «сила = давление × площадь», высокое давление позволяет меньшим цилиндрам достигать очень больших сил. Однако гидроцилиндры обычно не используются на полную мощность; они имеют слишком большой размер для улучшения контроля. Электромеханические системы полагаются на ток, протекающий через серводвигатель, для создания крутящего момента в механической системе, которая приводит в движение силовой винт для вращения и создания силы. Это огромное преимущество, так как усилие достигается мгновенно.

В гидравлических системах, где жесткость системы не оптимизирована, гидравлический привод должен дождаться повышения давления до тех пор, пока не будет достигнута сила. Еще одним большим преимуществом электромеханических систем является то, что сервоусилитель автоматически регулирует ток. Электромеханическая система в основном использует ток «по запросу». Любая корректировка происходит автоматически. Гидравлический силовой агрегат всегда должен поддерживать давление в системе для срабатывания гидроцилиндра.

Возможности скорости

Достижение высоких скоростей при больших усилиях представляет собой сложную задачу как для гидравлических, так и для электромеханических систем. Гидравлика требует давления для силы и потока для скорости. Чтобы достичь более высоких скоростей при более высоких усилиях, в системе должно быть достаточно масла под давлением, чтобы в основном протолкнуть требуемый объем масла в цилиндр за нужное время (определяемое как поток). Обычно для этого применяется система накопления для удержания объема под давлением. Проблема может возникать с цилиндрами с длинным ходом. Незаряженные аккумуляторы могут привести к нехватке масла в системе. В конце концов, использование дополнительной емкости в системах гидроаккумуляторов позволяет им достигать высоких скоростей при больших усилиях. Обратной стороной этой практики является то, что без сервогидравлического управления гидравлической системой избыточная энергия (сила  скорость), по существу, используется в схеме управления без обратной связи.

Известно, что силовые возможности электромеханического привода зависят от правильной комбинации оборотов серводвигателя, крутящего момента и механического преимущества от шага винта и, возможно, редуктора. По мере увеличения размеров серводвигателей крутящий момент обычно значительно повышается, но частота вращения уменьшается. В экстремальных приложениях силы и скорости единственный способ, благодаря которому электромеханический привод может достичь желаемых характеристик, — значительно увеличить размер системы, что может быть непомерно дорого­стоящим. В качестве альтернативы следует помнить, что система электрического привода полностью контролирует профиль движения; ему необязательно проходить всю длину каждого цикла. Кроме того, с контролем ускорения и замедления электрическая система может работать быстрее, что сокращает время цикла и повышает эффективность. Наконец, технология электромеханического привода может снизить некоторые пиковые скорости, необходимые для выполнения более интеллектуальных и более коротких движений.

Высокая температура

Основная проблема гидравлических систем — регулирование температуры. Температура гидравлической жидкости, превышающая +82 °C, повреждает большинство уплотнительных материалов и ускоряет разложение масла.

Существует два способа решить проблему перегрева в гидравлических системах: уменьшить тепловую нагрузку или увеличить тепловыделение. Гидравлические системы отводят тепло через резервуар за счет правильного уровня масла или использования теплообменника. Поддержание гидравлической системы в надлежащем состоянии для отвода тепла потребует постоянного внимания и технического обслуживания. Электромеханические приводы могут время от времени перегреваться, но обычно это происходит из-за резких изменений рабочего цикла или из-за того, что привод работает с большей нагрузкой, чем он был разработан или рассчитан. Экстремальные изменения температуры окружающей среды, не учтенные при проектировании, также могут вызвать перегрев, но эти условия являются исключениями и обычно не возникают в большинстве сред автоматизации производства. Из-за их более высокой эффективности и точности размеров электромеханические приводы могут быть выбраны для работы при желаемой температуре. Точное прогнозирование температуры позволяет электромеханической системе функционировать стабильно, не влияя на срок службы устройства.

Низкая температура

Низкие температуры создают другие проблемы для гидравлических систем. Холодное масло вызывает вялую и непостоянную работу, пока масло не станет теплым, что, в свою очередь, приводит к большим колебаниям силы и скорости. Колебания температуры от горячей к холодной также могут повлиять на целостность уплотнения штока — важного компонента, который помогает предотвратить утечки и загрязнение. Подогреватели масляного бака могут управлять пусковой температурой, но они являются дополнительным компонентом и расходами. С другой стороны, электромеханический привод Tolomatic можно использовать со смазкой для экстремальных температур, обеспечивающей быстрый и эффективный запуск при низких температурах.

Срок эксплуатации и техническое обслуживание

Гидравлика — это надежные, широко распространенные устройства, которые могут иметь длительный срок службы. Компромисс заключается в том, что они требуют частого обслуживания и внимания для достижения желаемой производительности в течение всего срока эксплуатации. Сохранение целостности уплотнений штока и поршня является ключом к производительности, потому что это основные элементы, которые сдерживают давление, необходимое для движения и силы. Если такие компоненты изнашиваются или повреждены, их необходимо заменить. В противном случае сила будет уменьшена при начальном давлении или «удар» повлияет на скорость. Периодическая замена масляных фильтров и масла — это дополнительные задачи по техническому обслуживанию. Загрязненное или испорченное масло также может серьезно повлиять на работу системы. Пренебрежение элементами обслуживания приведет к утечкам или загрязнению и преждевременному выходу из строя компонентов.

Электромеханические приводы, рассчитанные на весь срок службы машины, не требуют обслуживания. Основными силовыми элементами электромеханического актуатора являются силовой винт и другие упорные элементы. Электромеханические приводы могут быть рассчитаны с 90%-ной надежностью. Силовые элементы обычно смазываются на весь срок службы, но при необходимости можно применить простые методы смазки в полевых условиях. Другой изнашиваемый элемент на электромеханическом актуаторе — уплотнение стержня, предназначенное для удержания воды, пыли и других загрязняющих веществ из окружающей среды от внутренних компонентов. В отличие от уплотнений гидроцилиндров, в электро­техническом актуаторе нет давления, которое могло бы удерживаться для правильной работы. Даже если уплотнение выйдет из строя, привод продолжит функционировать. Уплотнения штоков на большинстве электромеханических актуаторов Tolomatic легко и недорого заменить в случае повреждения. Неправильное использование — основная причина выхода из строя электромеханических приводов. Наиболее частые причины неправильного использования — превышение технических характеристик привода в течение продолжительных периодов времени или грубое пренебрежение изначальными параметрами.

Сбор данных

В непрекращающемся стремлении к совершенствованию производственных процессов сбор данных в критических областях становится все более распространенным в современной производственной среде (цифровое производство). Опять же, гидроцилиндры требуют дорогих, сложных сервогидравлических систем с дополнительными датчиками для отслеживания и контроля положения, скорости, силы и других параметров в рабочей точке. Все эти факторы встроены в сервоусилители Kollmorgen. Контроль тока серводвигателя позволяет легко отслеживать усилие и повторяемость. Устройство обратной связи регистрирует точное положение и скорость.

Эффективность и затраты на электроэнергию

Электромеханические системы обычно работают в диапазоне эффективности 75–80% для выполняемой ими работы. Системы гидравлических приводов обычно действуют в диапазоне КПД 40–55%. Дополнительным фактором в уравнении затрат на электроэнергию является то, что электромеханические приводы потребляют ток, только когда это необходимо. Если электромеханические приводы находятся в состоянии покоя, они не требуют тока или нужен очень малый ток для удержания своего положения. Гидравлика требует, чтобы силовой агрегат постоянно поддерживал давление в гидравлической системе, когда система включена, что приводит к неэффективному расходованию мощности. Разделив эффективность двух технологий друг на друга, можно определить приблизительный коэффициент затрат на электроэнергию на основе того, когда приводы/цилиндры фактически перемещаются.

Например, 80% (электромехани­ческий)/40% (гидравлический) = 2. Это приводит к тому, что электрическая энергия в 2 раза эффективнее, а гидравлическая система потребляет вдвое больше энергии для выполнения той же работы. Это приблизительное значение, но оно недалеко от реальности. Фактически, если гидравлическая система не обслуживается должным образом, общий КПД системы может достигнуть уровня 20%, в результате чего электромеханическая технология будет в 4 раза эффективнее.

Хотя электромеханические системы в 2 раза эффективнее гидравлических, решение с электромеханическим приводом может быть более дорогостоящим для реализации на начальном этапе. Но стоимость в течение срока службы системы может быть существенно меньше, если учесть повышение производительности, гибкость системы и снижение затрат на коммунальные услуги.

Утечки и экологические проблемы

Многие профессионалы гидравлической отрасли говорят: «Дело не в том, что гидравлика протечет, а в том, когда и насколько сильно». Утечки создают беспорядок в производственной среде и представляют угрозу безопасности, если кто-то поскользнется на разливе. Еще больше тревожит то, что утечки могут вызвать серьезное загрязнение ключевых процессов и продуктов, таких как пищевая промышленность, фармацевтика, медицинское оборудование и другие. Загрязнение может быть дорогостоящим как с точки зрения очистки, так и с точки зрения списанного продукта — и даже более дорогостоящим, если загрязненный продукт достигает потребителей, а затем отозван. Кроме того, многие гидравлические системы развернуты на открытом воздухе, в непосредственной близости от жилых помещений и пресной воды. Утечка нефти в окружающую среду может стать серьезной проблемой для сообществ.

Технология электромеханического привода — одна из самых чистых технологий, которую можно активно и легко использовать. Смазка на ходовом винте актуатора — единственный потенциальный загрязнитель. При необходимости в электроактуаторах Tolomatic могут применяться специальные смазки (пищевые, для чистых помещений и т. д.). Высококачественные уплотнения, предусмотренные на штоке, удерживают смазку внутри актуатора, практически устраняя проблемы загрязнения.

Во второй части нашей статьи мы узнаем, как правильно определить нагрузку и подобрать нужный электромеханический привод. Рассмотрим винтовые, шариковинтовые и роликовинтовые передачи. Узнаем о характеристиках актуаторов Tolomatic серии RSA, RSX в совместной работе с сервомоторами и драйверами Kollmorgen. Кроме того, рассмотрим уникальные возможности при реализации линейного движения с использованием электроцилиндра Tolomatic серии IMA с драйвером Kollmorgen серии AKD.

Окончание статьи.

ООО «Сервостар»
авторизованный партнер Tolomatic и Kollmorgen в России.
Москва, Семеновская набережная, д. 2/1, стр. 1.
Тел.: +7 (495) 144-53-46
E-mail: info@servostar.ru
www.servostar.ru